Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Diplomarbeit Anwendung des Programms Basement zur numerischen Berechnung von Gerinneströmungen mit Geschiebetransport Benjamin Unsin
Diplomarbeit zur Erlangung des Grades eines Diplomingenieurs (Univ.) der Fachrichtung Bauingenieurwesen an der Technischen Universität München Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Anwendung des Programms Basement zur numerischen Berechnung von Gerinneströmungen mit Geschiebetransport Prüfer: Univ.-Prof. Dr.-Ing. P. Rutschmann Betreuer: Dipl.-Ing. Katharina Fiedler Dipl.-Ing. Nikos Efthymiou eingereicht am: 07.05.2008 von: Benjamin Unsin Benzenauerweg 8 87640 Hörmanshofen
Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung... 1 1.1 Problemstellung... 2 1.2 Ziele... 2 1.3 Gliederung der Arbeit... 3 2. Verwendete Programme... 4 2.1 BASEMENT... 4 2.1.1 Entwicklung... 4 2.1.2 Modularer Programmaufbau... 5 2.1.3 Geometrieeingabe... 8 2.1.4 Hydraulische Berechnungen... 10 2.1.5 Morphologische Berechnungen... 16 2.2 HEC-RAS... 19 3. Theoretische Grundlagen... 23 3.1 Strömungsgleichungen... 23 3.1.1 Navier-Stokes Gleichungen... 23 3.1.2 Flachwassergleichungen... 24 3.1.3 Saint-Venant Gleichungen... 26 3.2 Morphologische Berechnungen... 28 3.2.1 Gleichung von Meyer-Peter und Müller... 29 3.2.2 Günters Zweikornmodell... 31 3.2.3 Formel von Meyer-Peter Müller und Hunziker... 32 3.2.4 Formeln von Parker und Rickenmann... 33 3.2.5 Exner Differentialgleichung... 34 3.2.6 Das Active-Layer-Konzept... 36 3.3 Numerische Lösung... 37 4. Dokumentation der durchgeführten Berechnungen... 39 4.1 Beispiel 1: Rechteckgerinne... 40 4.1.1 Geometrie... 40 4.1.2 Berechnungen... 41 4.1.3 Fazit... 47 4.2 Beispiel 2: Trapezquerschnitt mit Vorland... 49 4.2.1 Geometrie... 49 4.2.2 Stationäre Berechnungen... 50 4.2.3 Instationäre Berechnung... 54
4.2.4 Fazit... 56 4.3 Beispiel 3: Trapezquerschnitt mit Morphologie... 57 4.3.1 Geometrie... 57 4.3.2 Einkornsimulation... 57 4.3.3 Mehrkornmodell... 63 4.3.4 Fazit... 68 4.4 Beispiel 4: Modellversuch zur Deckschichtbildung... 69 4.4.1 Versuchsaufbau und Ergebnisse des Modellversuchs... 69 4.4.2 Abbildung der Geometrie... 70 4.4.3 Wahl der Randbedingungen... 71 4.4.4 Abbildung der Sieblinie... 71 4.4.5 Kalibrierung des Modells... 73 4.4.6 Ergebnisse... 77 4.5 Beispiel 5: Wertachhochwasser 2005... 81 4.5.1 Beschreibung der Ausgangssituation... 81 4.5.2 Abbildung der Geometrie... 83 4.5.3 Randbedingungen... 85 4.5.4 Einkorn- oder Mehrkornmodell?... 87 4.5.5 Kalibrierung und Ergebnisse... 90 4.5.6 Fazit... 95 5. Ergebnisse der Diplomarbeit... 96 5.1 Hydraulische Berechnungen... 96 5.2 Morphologische Berechnungen... 97 5.3 Probleme und Bugs... 98 5.4 Ausblick... 99 6. Literatur... 100 Anhang... 102 A.1: Stationäre Verhältnisse, Beispiel 1 Rechteckquerschnitt... 102 A.2: Abflussberechnung im gegliederten Querschnitt... 103 A.3: Basement Command File... 105 A.4: Topographie-File im Format FLORIS... 107 A.5: Topographieausgabe-File... 108 A.6: Kritischer Abfluss im Beispiel Wertach... 110 A.7: Kritische Schubspannung nach Günter... 111 A.8: Weitere Rechenläufe zu Beispiel 5: Wertach... 112 Selbstständigkeitserklärung und Dank... 116
1. Einleitung Numerische Modelle gehören heute in allen Ingenieurdisziplinen zum alltäglichen Planungswerkzeug. Unterschiedlichste technische Fragestellungen erfordern dabei eine Vielzahl an maßgeschneiderten Modellen und Lösungsstrategien. Der Anwendungsrahmen numerischer Modelle im Wasserbau reicht von der Abflusssimulation in weitverzweigten Gerinnesystemen bis hin zur dreidimensionalen Erfassung komplexer lokaler Strömungen. Im Bereich der Hydrologie werden numerische Verfahren seit vielen Jahren erfolgreich zur Hochwasserprognose und Speichersteuerung angewendet. Neben rein hydraulischen Fragestellungen gewinnt die Modellierung von Geschiebetransportvorgängen zunehmend an Bedeutung. Morphologische Prognosen werden in der Praxis zur nachhaltigen Planung flussbaulicher Maßnahmen benötigt. Hierzu zählen Hochwasserschutzprojekte, die Renaturierung einzelner Gewässerabschnitte, Ausbauarbeiten für die Binnenschifffahrt oder zur Nutzung der Wasserkraft. In der morphologischen Forschung sollen komplexe fraktionierte Transportvorgänge modelliert und Sortier- und Austauschprozesse an der Sohlenoberfläche quantifiziert werden. Die Beschreibung solcher Vorgänge erfordert differenziertere Ansätze, viele davon wurden erst im letzten Jahrzehnt entwickelt. Bei den zugrunde liegenden Modellvorstellungen handelt es sich um theoretische Konstruktionen, die versuchen die Realität nachzubilden. Sie wurden auf empirischem Weg, also aus Beobachtungen in der Natur bzw. Versuchsergebnissen abgeleitet. Ihr Einsatzbereich und ihre Prognosefähigkeit ist daher begrenzt. Vielfach kann auf physikalische Modelle nicht verzichtet werden, um die Ergebnisse einer numerischen Simulation abzusichern. Zudem ist der Bezug zu realen Messwerten unverzichtbare Grundlage bei der Kalibrierung eines numerischen Modells. Beide Modelle bedingen einander. Da ein physikalischer Versuch relativ aufwendig zu realisieren ist, was Zeitbedarf und Kosten angeht, seine Ergebnisse aber ebenfalls einige Unsicherheiten auf Grund vereinfachender Annahmen (Anwendung der Modellgesetze, Maßstabseffekte, Messtoleranzen oder Fehler) enthalten können, ist eine parallele Überprüfung durch ein numerisches Modell stets angebracht (Strobl et al. 2006). Diese Vorgehensweise wird als Hybridmodell bezeichnet und stellt den sichersten Weg zu aussagekräftigen Ergebnissen dar. Jedes numerische Modell erfordert die Durchführung einer Kalibrierung und Validierung bevor es zur Prognose angewendet werden kann. Unter Kalibrierung versteht man die Anpassung von einzelnen Parametern des Modells, um die berechneten Ergebnisse mit Naturdaten in Einklang zu bringen. Für hydraulische Berechnungen erfolgt die Kalibrierung über die Sohlrauheiten nach Strickler. Diese werden innerhalb des realistischen Rahmens so gewählt, dass die berechneten Fließtiefen mit gemessenen Pegelwerten übereinstimmen. Eine morphologische Simulation wird je nach verwendetem Transportansatz über die Korndurchmesser und die Beschaffenheit des Sohlenmaterials, formelinterne Kalibrierungsfaktoren und numerische Modellgrößen, wie die Dicke der Austauschschicht oder den Upwind-Faktor zur Gewichtung der Sedimentflüsse an den Kanten zwischen zwei Querprofilen, kalibriert. Dabei sollten die getroffenen Annahmen möglichst nahe an der Realität liegen. Die Verwendung geeigneter Randbedingungen ist ebenfalls von großer Bedeutung für das numerische Modell. Mit dem kalibrierten Modell werden anschließend mehrere Rechenläufe z.b. unter veränderten Abflussbedingungen durchgeführt und die Ergebnisse beurteilt. Dabei muss entschieden werden, ob das Modell in der Lage ist, die gestellte Aufgabe adäquat zu lösen, 1
oder nicht. Diesen Vorgang nennt man Validierung. Liefert das numerische Modell auch unter veränderten Bedingungen plausible Ergebnisse, kann es zur Prognose eingesetzt werden. 1.1 Problemstellung Numerische Simulationsprogramme spielen also im Wasserbau, wie auch in anderen Gebieten, eine wichtige Rolle. Mittlerweile sind viele unterschiedliche Programme auf dem Markt, die zur Berechnung verschiedenster hydrologischer, hydraulischer und morphologischer Fragestellungen Verwendung finden. Kommerziell vertriebene Software wie Hydro AS oder MORMO ist weit verbreitet. Dem gegenüber steht eine Reihe von Freewareprogrammen, beispielsweise HEC-RAS und HEC 6, die ebenfalls ein breites Spektrum an Funktionen und Anwendungsmöglichkeiten bieten. Stetig wachsende Rechnerleistungen ermöglichen die Bearbeitung neuer, zunehmend komplexer werdender Fragestellungen, die aber auch eine ständige Weiterentwicklung der numerischen Modelle erfordern. So gibt es auf diesem Gebiet oft neue Programme, deren Funktionalität aber nicht in dem Maße getestet und abgesichert sein kann, wie es bei Software der Fall ist, die schon seit längerer Zeit etabliert ist. Gerade im Bereich des Geschiebetransports besteht noch einiger Forschungsbedarf. In der numerischen Simulation gilt es hier grundsätzlich zu klären, welches Modell für einzelne Fragestellungen am besten geeignet ist. Bei BASEMENT handelt es sich um eine vielversprechende Neuentwicklung der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich, die eine Reihe unterschiedlicher implementierter Modelle zur Berechnung verschiedener morphologischer Szenarien bereitstellt. Zudem liegt eine umfangreiche Dokumentation vor, was eine nähere Auseinandersetzung mit diesem Programm durchaus lohnend erscheinen lässt. 1.2 Ziele Ziel der Diplomarbeit ist ein Test der Leistungsfähigkeit dieser neuen Software mit einer Fokusierung auf morphologische Berechnungen mit dem 1D-Modul BASECHAIN. Neben einer Beurteilung der mit BASEMENT erzielten Ergebnisse soll eine Eingrenzung des Anwendungsrahmens der einzelnen Transportansätze erfolgen. Außerdem sollen Unterschiede zu anderen Programmen wie HEC-RAS aufgezeigt werden. Da es sich bei BASEMENT um ein relativ neues Programm handelt, das noch nicht intensiv getestet wurde, sollen eventuell auftretende Probleme dokumentiert und in Zusammenarbeit mit dem Entwicklerteam geklärt werden. Damit kann auch ein Beitrag zur Verbesserung zukünftiger Programmversionen geleistet werden. 2
1.3 Gliederung der Arbeit Die Arbeit ist in fünf Kapitel unterteilt. In Kapitel 2 wird das Programm BASEMENT näher vorgestellt. Dabei wird auf den systematischen Aufbau der Software, die einzelnen Funktionen und die Anwendung des verwendeten 1D-Moduls BASECHAIN getrennt nach hydraulischen und morphologischen Berechnungsschritten eingegangen. Ergänzend wird das ebenfalls verwendete Programm HEC-RAS kurz beschrieben. Das dritte Kapitel gibt einen Überblick über die theoretischen Grundlagen der in BASECHAIN implementierten Formeln. Außerdem wird der Weg zur numerischen Lösung der zugrunde liegenden Algorithmen erklärt. Kapitel 4 beinhaltet die Dokumentation der durchgeführten Berechnungen. Hier wird anhand zweier akademischer Beispiele zunächst eine Sensitivitätsanalyse der zur Verfügung stehenden Parameter für hydraulische und morphologische Berechnungen durchgeführt. Danach sollen die gewonnenen Erkenntnisse zur Modellierung realer Berechnungsszenarien angewendet werden. Es handelt sich dabei um einen Modellversuch zur Deckschichtbildung, der an der Versuchsanstalt für Wasserbau in Obernach durchgeführt wurde und ein Hochwasserereignis an der Wertach im Stadtgebiet von Augsburg. Der Modellversuch bietet die Möglichkeit, sich mit den Themenkomplexen fraktionierte Berechnung und Deckschichtbildung auseinanderzusetzen. Die vorliegenden Messwerte erlauben eine Kalibrierung des numerischen Modells und eine Überprüfung der Qualität der berechneten Ergebnisse. Anhand dieses Beispiels soll die Leistungsfähigkeit des 1D Moduls in Bezug auf die Vorhersage der Kornzusammensetzungen der Deckschicht und des ausgetragenen Materials beurteilt werden. Nach der Simulation dieses Modellversuchs unter Laborbedingungen, d.h. unter idealen Verhältnissen (gerade Teststrecke, konstantes Sohlgefälle und stationäre Abflussverhältnisse, homogenes Sohlmaterial) wird BASEMENT zur Nachrechnung eines Hochwasserszenarios mit großen Sohlveränderungen eingesetzt. Dabei sollen im Besonderen die Abbildung der Randbedingungen im numerischen Modell, die Wahl geeigneter Transportansätze und die damit verbundenen Unterschiede in der Kalibrierung untersucht werden. Das Wertachhochwasser vom August 2005 ist hierfür ein perfektes Referenzbeispiel, da auf umfangreiches Datenmaterial zurückgegriffen werden kann, das im Rahmen des Projektes Wertach Vital von verschiedenen Stellen ermittelt und dokumentiert wurde. Anhand dieser Ausgangsdaten soll das numerische Modell so kalibriert werden, dass Prognoserechnungen stattfinden können. Im fünften Kapitel werden die gewonnenen Erkenntnisse zusammengestellt und beurteilt. Es soll deutlich gemacht werden, welche Fragestellungen im Modell gut erfasst werden konnten und wo es zu Problemen kam. Abschließend wird ein Ausblick auf weitere Entwicklungen und Programmversionen gegeben. 3
2. Verwendete Programme Für die Bearbeitung dieser Diplomarbeit kamen die Programme BASEMENT und HEC-RAS zum Einsatz, deren Aufbau und Funktionsweise an dieser Stelle näher vorgestellt werden soll. 2.1 BASEMENT Im Mittelpunkt dieser Diplomarbeit steht das numerische Softwaresystem BASEMENT, eine Neuentwicklung der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zürich. Der Quellcode von BASEMENT basiert auf früheren Entwicklungen der VAW, wie FLORIS, und wurde so erweitert, dass dem Anwender zusätzlich auch ein 2D Berechnungs-Modul, sowie die Möglichkeit morphologischer Berechnungen mit verschiedenen Transportansätzen, zur Verfügung steht. Die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten vor allem im morphologischen Bereich, die Möglichkeit auch 2D Berechnungen durchzuführen, die geplante Erweiterung der Programmfunktionen und nicht zuletzt die kostenlose Nutzung lassen BASEMENT zu einer interessanten Alternative zu anderen Freeware aber auch zu kommerziellen Programmen werden. 2.1.1 Entwicklung Die VAW arbeitet bereits seit 30 Jahren an Computerprogrammen, die sich mit hydraulischen und hydrologischen Fragestellungen auseinandersetzen. So wurden beispielsweise die Programme FLORIS und MORMO entwickelt. Im Jahr 2002 bekam die VAW einen Auftrag zur Mitarbeit am Rhone-Thur Projekt, einem Hochwasserschutzprojekt in der Schweiz. Dies stellte sich als Chance zur Entwicklung eines neuen Softwaresystems heraus, da für das Projektgebiet umfangreiches Datenmaterial ermittelt worden war, welches zur Kalibrierung und Validierung eines numerischen Modells benötigt wird. Für den Fluss Thur lagen neben Pegelwerten auch Vermessungsdaten zu Sohle und Vorländern vor und nach einem größeren Hochwasserereignis vor, womit eine Grundlage zur Verifizierung morphologischer Berechnungen gelegt wurde. Ende 2002 begann die Arbeit des Entwicklerteams am neuen Programmcode mit dem Titel BASic EnvironMENT for simulation of environmental flow and natural hazard simulation BASEMENT. Das Programm soll zur Strömungssimulation und Prognose von Naturgefahren wie Hochwasser und Murgängen verwendet werden können. Bei der Entwicklung der neuen Software konnte auf bestehende Codes, wie FLORIS und 2dm, zurückgegriffen werden, auf deren Grundlage die neuen Module aufgebaut wurden. Die Motivation zur Neuentwicklung war, ein leistungsfähiges, numerisches Freewaretool zu schaffen, das neben 1D- auch 2D-Berechnungen ausführen kann und den Entwicklungsstand genau zu dokumentieren, da hier noch Lücken bestanden. Um eine gute Grundlage für zukünftige Software-Projekte zu schaffen, wurde ein modularer Aufbau des Programms gewählt. Das heißt, es gibt mehrere voneinander unabhängige Funktionsebenen, die vom Anwender problembezogen ausgewählt werden können. Eine Verknüpfung dieser Funktionsebenen ist 4
vorgesehen (Abb. 1). So können beispielsweise unterschiedliche Bereiche eines verzweigten Gerinnesystems entweder 1D oder wo erforderlich 2D gerechnet werden. Ein weiterer Vorteil des modularen Aufbaus liegt in der Erweiterbarkeit des Codes, z.b. für ein geplantes 3D Modul. Abb. 1: Bestehende (schwarz) und geplante (grau) Rechenmodule und Verknüpfungen in BASEMENT. Die erste Version BASEMENT V. 1.1 wurde im November 2006 veröffentlicht, dem folgte wenig später die Version 1.2. Die aktuelle Version BASEMENT V. 1.3, die zur Bearbeitung dieser Diplomarbeit verwendet wurde, wurde im April 2007 bereitgestellt und kann auf der Internetseite der VAW, unter www.basement.ethz.ch, bezogen werden. Dort stehen auch das Benutzerhandbuch sowie einige Beispielrechnungen zum Download bereit. Die nächste Version wird voraussichtlich 2008 veröffentlicht werden. 2.1.2 Modularer Programmaufbau Das Programm BASEMENT ist, wie bereits erwähnt, ein modular aufgebautes, objektorientiertes Softwaresystem (VAW 2007). Dies ermöglicht dem Anwender problembezogene Strömungssimulationen anhand verschiedener Modelle durchzuführen. Er kann zweidimensional rechnen, wo dies erforderlich ist, aber auch eindimensional bei Szenarien, in denen dieser Ansatz ausreicht. Dies kann dann der Fall sein, wenn die zur Verfügung stehenden Eingangsinformationen begrenzt sind oder die höheren Anforderungen an die Rechnerleistung wegen des überwiegend eindimensionalen Charakters einer Untersuchungsstrecke nicht zu vertreten sind. Beide Module arbeiten mit unterschiedlichen Modellvorstellungen und erfordern deshalb auch verschiedene Eingabeformate der Geometriedaten. BASEPLANE 2D Grundlage für zweidimensionale Berechnungen mit BASEMENT sind die Flachwassergleichungen, die durch verschiedene Vereinfachungen aus den dreidimensionalen Navier- Stokes-Gleichungen abgeleitet werden (siehe Kap. 3.1.2). Das zweidimensionale numerische Modell weist daher einige Besonderheiten auf, die unbedingt berücksichtigt werden müssen. Diese sind: Die Topographie wird über ein dreidimensionales Gitternetz beschrieben. Die Geometrie der Querprofile ist veränderlich in y- und z-richtung (vgl. Abb. 2). Die Strömung besitzt zwei Geschwindigkeitskomponenten in x- und y-richtung. 5
Die Geschwindigkeitskomponente in z-richtung wird vernachlässigt (das bedeutet, die vertikale Beschleunigung ist gleich null). Die hydraulischen Größen variieren in Längs-(x) und Querrichtung (y). Die Wasserspiegelquerneigung in Kurven kann erfasst werden. Die Sedimentverteilung ist variabel über die Querprofilbreite (z.b. Eintiefung in einer Kurvenaußenseite, Anlandung auf der Kurveninnenseite). Abb. 2: Hydraulische Komponenten des zweidimensionalen bzw. eindimensionalen Modells (Quelle: BASEMENT-Workshop vom 06.10.2006, Einführung in die numerische Modellierung, Roland Fäh). Das numerische Rechenmodul basiert auf der Methode der finiten Volumen (siehe Kap. 3.3). Die Geometrieeingabe erfordert Datennetze im Format 2dm, die beispielsweise mit dem Programm SMS (Surface Modelling System) erstellt werden können. Die Zellstruktur des generierten Gitters kann dabei triangular, quadriliar oder hybrid sein. Konservative Variablen sind die Fließtiefe h und die Geschwindigkeiten in x- bzw. in y-richtung (u bzw. v). Die Sohlreibung wird über den Ansatz von Manning berücksichtigt. Für Berechnungen mit Sedimenttransport sind im 2D-Modul bislang die Formeln von Meyer-Peter und Müller, Parker und Hunziker implementiert. Die Ergebnisausgabe erfolgt im 2dm-Format und über ASCII-Tabellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ausschließlich eindimensionale Berechnungen mit dem Modul BASECHAIN durchgeführt. BASECHAIN 1D Die eindimensionale Strömungsberechnung erfolgt mittels der Saint-Venant-Gleichungen (siehe Kap. 3.1.3). Hierbei wird im Vergleich zu den Flachwassergleichungen nur noch die Fließgeschwindigkeit in Längsrichtung (x-richtung) betrachtet. Abbildung 2 gibt einen Überblick über die Unterschiede zwischen der 1D und 2D Berechnung. Auf Grund der vereinfachenden Annahmen sind eindimensionale Modelle nicht für alle Fragestellungen geeignet. Für hydraulische Fragestellungen sind sie jedoch ein nützliches Planungswerkzeug 6
und auch zur Abschätzung von Transportvorgängen können sie herangezogen werden, solange sich der Anwender darüber bewusst ist, dass er es hier mit einem Modell zu tun hat, das auf folgenden vereinfachten Annahmen basiert und auch nur dort eingesetzt werden sollte, wo diese Annahmen gerechtfertigt sind: Die Topographieabbildung geschieht durch Querprofile, dies entspricht der Modellvorstellung eines geradlinigen Kanals ohne Kurven. Eine Wasserspiegelquerneigung kann nicht berücksichtigt werden. Im gesamten durchflossenen Querschnitt herrscht die gleiche Geschwindigkeit. Die Strömung hat eindimensionalen Charakter, die hydraulischen Größen variieren nur in Längsrichtung (x-richtung, vgl. Abb. 2). Erosions- und Anlandungsprozesse verlaufen gleichmäßig über die Querprofilbreite. Sind diese Annahmen nicht zutreffend, weil das zu simulierende Problem zwei-dimensionalen Charakter aufweist, sollte die Bearbeitung mittels des 2D-Moduls erfolgen. Die räumliche Diskretisierung der Untersuchungsstrecke erfolgt auch im 1D-Modul mittels der Finiten Volumen Methode. Die Geometrie wird über Querprofile erfasst, in denen Bereiche unterschiedlicher Rauhigkeiten und Überflutungsflächen ohne Fließgeschwindigkeit definiert werden können. Die Eingabe der Koordinaten kann in den Formaten FLORIS und HEC-RAS erfolgen (vgl. Kap. 2.1.3). Für die hydraulische Berechnung sind die durchströmte Querschnittsfläche A und der zugehörige Abfluss Q konservative Variablen, die aus der Kontinuitätsgleichung bzw. dem Impulssatz berechnet werden. Die Sohlreibung wird wahlweise über die Ansätze nach Strickler, Chezy oder Darcy-Weisbach berücksichtigt. Die Berechnung der durchströmten Querschnittsfläche in Abhängigkeit vom Wasserspiegel A (z) kann iterativ oder durch Interpolation aus einer Tabelle erfolgen. Um die Gleichungssysteme zu schließen, sind verschiedene Rand- und Initialbedingungen wählbar. Für morphologische Berechnungen stehen die Transportformeln von Meyer-Peter und Müller, der Ansatz von Günter sowie die Formeln von Parker, Rickenmann und Hunziker zur Verfügung (siehe Kap. 3.2). Die Ergebnisausgabe erfolgt in Tabellenform im Format von Textdateien. Hier sind verschiedene Optionen zur Verfolgung eines speziellen Wertes über die Simulationsdauer oder die Integration über die Zeit einstellbar. Das Programm BASEMENT bietet keine graphische Benutzeroberfläche wie beispielsweise HEC-RAS an, die Eingabe aller erforderlichen Daten für eine numerische Simulation geschieht über textbasierte Dateien. Diese Dateien sind nach ihrer Funktion getrennt in Hilfsdateien, die die geometrischen Daten der Strecke, die Abflussganglinie oder Informationen zu den Randbedingungen enthalten, und eine Kommandodatei (Basement Command File, Bezeichnung: Projektname.bmc ), die alle übrigen Simulations-Parameter beinhaltet und auf die einzelnen Hilfsdateien verweist. Für jedes neue BASEMENT Projekt ist ein eigener Ordner anzulegen, in dem sich alle zugehörigen Dateien befinden. Die Aufteilung in verschiedene Informationsblöcke dient der Übersichtlichkeit und ermöglicht die getrennte Bearbeitung einzelner Dateien. Wurden alle benötigten Projektdateien erstellt, wird die Simulation durch Ausführen des Command Files gestartet. Wenn der Rechenlauf beendet ist, werden die Ergebnisse in den entsprechenden Ausgabedateien im gleichen Ordner abgelegt. Abbildung 3 gibt einen Überblick über die einzelnen Dateien, die zu einem BASEMENT-1D- Projekt gehören. Grau dargestellte Dateien sind optional, die anderen zwingend erforderlich. In Klammern ist das Dateiformat angegeben. 7
Abb. 3: Erforderliche und optionale (grau) Dateien eines BASEMENT-1D-Projekts. 2.1.3 Geometrieeingabe Die Eingabe der geometrischen Daten ist für eindimensionale Berechnungen in zwei verschiedenen Formaten möglich. So können entweder Datensätze, die mit dem Programm HEC-RAS erstellt wurden, importiert werden, oder es kann eine Topographiedatei im Format FLORIS erstellt werden. Das Format FLORIS wurde ebenfalls an der VAW entwickelt und kam bereits in anderen Programmen wie MORMO zum Einsatz. Die FLORIS Datei enthält zusätzlich zu den Koordinaten der Untersuchungsstrecke und den Rauhigkeiten noch weitere Informationen zum Projekt, wie beispielsweise die Lage der bewegliche Sohle oder die Auswahl des Berechnungsmodus, was dieses Format zum Standardeingabeformat speziell für BASEMENT macht. Bei HEC-RAS Geometrien müssen diese Informationen im Command File bzw. in einer weiteren Hilfsdatei ergänzt werden. Geometrieeingabe im Format FLORIS Die Geometriedatei im Format FLORIS ist eine Textdatei (Beispiel im Anhang A.4). Sie enthält neben den Koordinaten der einzelnen Querprofile auch Informationen über den Projekttitel, den gewählten Berechnungsmodus (Interpolation aus Tabelle oder Iteration, siehe Kap. 2.1.4) und den verwendeten Reibungsansatz (Strickler, Chezy oder Darcy-Weisbach, vgl. 8
Kap. 3.1.3). Danach werden je nach Rechenmodus die gewünschten Genauigkeitsparameter und die Reibungsbeiwerte für Hauptkanal, Vorländer und die Gerinnesohle angegeben. Dann folgt die Definition der Querprofile. Die Deklaration charakteristischer Punkte erfolgt in FLORIS mittels eines speziellen Zahlencodes (siehe Tab. 1). So wird nach der Codezahl 20 ein neues Querprofil definiert. Hierfür sind eine Bezeichnung (z.b. CS1) und die Entfernung zum Anfangsprofil der Strecke in Kilometer anzugeben. Des Weiteren können in dieser Zeile noch die Sohlneigung im Querprofil und die Zusammensetzung der Sohle (wieder über Codezahlen) festgelegt werden. Jeder Wert muss an einer bestimmten Position eingegeben werden (z.b. die Sohlneigung an siebter Stelle). Die exakte Positionierung aller Parameter ist dem BASEMENT Benutzerhandbuch (Kap. U IV Tutorials) zu entnehmen. Die Eingaben sind dabei stets durch ein Leerzeichen und im Fall einer ausgelassenen Eingabe durch zwei Kommas voneinander zu trennen. Jede Eingabezeile wird durch einen Schrägstrich abgeschlossen. Zwei Schrägstriche kennzeichnen einen Kommentar, der beim Lesen der Datei von BASEMENT ignoriert wird. FLORIS-Code Bedeutung 20 Definition eines neuen Querprofils 21 Neuer Punkt eine Querprofils 12 Beginn des Hauptkanals 13 Ende des Hauptkanals 15 Beginn der Gerinnesohle 16 Ende der Gerinnesohle (Geschiebetransport nur in diesem Bereich) 1 Überflutungsbereich ohne Fließgeschwindigkeit (v = 0) 2 Berechnungsbeginn eines Querprofils 32 Linksseitiges Querprofilende für die Berechnung 1 Feste Sohle (Indexdefinition im Command File) 2, 3, etc. Bewegliche Sohle, Zusammensetzung 2, 3, etc. 99 Abschluss eines Querprofils end Ende der Geometrieeingabe Tab. 1: FLORIS-Zahlencode zur Geometrieeingabe. Geometrieeingabe in HEC-RAS Wurden die Geometriedaten des Untersuchungsgebietes in HEC-RAS eingegeben (vgl. Kap. 2.2 und BASEMENT Benutzerhandbuch U IV), kann diese Geometriedatei (Format hecras, Bezeichnung: Projektname.g01 ) in BASEMENT importiert werden. Dafür sind jedoch einige Veränderungen vorzunehmen bzw. Zusatzinformationen anzugeben. Im Gegensatz zu FLORIS enthält die HEC-RAS Geometriedatei keine Informationen zum Berechnungsmodus, zur Art des verwendeten Reibungsbeiwerts und zur Lage der beweglichen Sohle. Diese Informationen müssen im BASEMENT Command File ergänzt werden. Für den Import der HEC-RAS Geometriedatei in BASEMENT müssen folgende Vorgaben berücksichtigt werden: Für jedes Querprofil muss eine Beschreibung (Description) angegeben werden. Wie die Querprofile beschrieben werden, spielt allerdings keine Rolle (z.b. CS 1). Anstatt des Manningwertes müssen die Stricklerwerte eingegeben werden, da BASEMENT die Einheiten nicht automatisch konvertiert. 9
Die Bezeichnung der Stationierung (River Stations) in HEC-RAS muss nach dem Abstand zum oberstromigen Anfangsquerprofil in Metern erfolgen, da BASEMENT diese Abstandswerte verwendet. Da die Bezeichnung der Querprofile in HEC-RAS entgegen der Fließrichtung definiert ist (Stationierung stromaufwärts), muss dies bei der Eingabe für BASEMENT ebenfalls geändert werden. Deshalb ist diese Geometriedatei nur für den Import in BASEMENT zu verwenden, aber nicht mehr in HEC-RAS. Falls die Berechnung mit beiden Programmen erfolgen soll, müssen zwei separate Geometriefiles erstellt werden. Für morphologische Berechnungen müssen die entsprechenden Codezahlen für die Beschaffenheit der Sohle vergeben werden. Dies geschieht im Geometrieeingabemenue von HEC-RAS für jedes Querprofil unter Options/Obstructions/Multiple Blocks. Dort wird die y-koordinate des Anfangs- und Endpunktes der beweglichen Sohle angegeben und in der Spalte Elevation der zugehörige Sohlindex festgelegt. Zusätzlich muss eine Textdatei ( Bottom.txt ) zur Definition der Lage der Gerinnesohle erstellt werden, in der der Beginn und Endpunkt der Sohle für jedes Querprofil vermerkt wird. Diese Information wird von BASEMENT benötigt, da die HEC-RAS Geometriedatei nur einen Unterscheidung in Hauptkanal und Vorland kennt, diese Übergangspunkte aber nicht mit der Gerinnesohle identisch sein müssen. So weist der Hauptkanal meist seitliche Böschungen auf, denen auf diese Weise wie im Format FLORIS eine andere Rauhigkeit zugeordnet werden kann. Das BASEMENT Command File muss angepasst werden. Die Bezeichnung der Querprofile entspricht jetzt deren Stationierung (z.b. 0, 100, 200 [m]). Das Geometrieformat hecras, ein Verweis auf die Bottom-Datei, die Angabe des Berechnungsmodus sowie der zugehörigen Parameter und der gewählte Reibungsansatz (z.b. Strickler), werden dort ergänzt. Die zahlreichen erforderlichen Änderungen erschweren den Geometrieimport in BASEMENT, sodass je nach Format der vorhandenen Ausgangsdaten das Erstellen einer FLORIS Topographiedatei der einfachere Weg sein kann. 2.1.4 Hydraulische Berechnungen Wurde die Geometriedatei erstellt, werden für eine einfache hydraulische Berechnung noch eine Abflussdatei und ein Command File benötigt. Eingabe einer Abflussganglinie Die sog. Hydrograph-Datei stellt die oberstromige hydraulische Randbedingung dar. Sie gibt das Abflussgeschehen vor. Dies kann ein konstanter oder ein veränderlicher Abfluss, also eine Ganglinie, sein. Die Eingabe erfolgt durch die zeitliche Zuordnung einzelner Abflusswerte, Zwischenwerte werden linear interpoliert. Für einen konstanten Abfluss muss die Datei zwei Wertepaare Q (T) enthalten, diese werden dann von BASEMENT für die gesamte Simulationsdauer beibehalten. Zum Beispiel: // T Q 0 5 3600 5 10
Der erste Wert gibt den Zeitpunkt T in Sekunden an, der zweite den Abfluss Q in m³/s. Die beiden Schrägstriche in der Kopfzeile bedeuten, dass es sich hier um einen Kommentar handelt und diese Zeile von BASEMENT ignoriert wird. Im Beispiel wurde also ein konstanter Abfluss von 5 m³/s für jede beliebig lange Berechnungsdauer vorgegeben. Wurden die Hilfsdateien für die Ganglinie und die Topographie der Untersuchungsstrecke erstellt, erfolgt die Bearbeitung des Command Files. Dieses kann ebenfalls mit einem Editorprogramm geöffnet und geändert werden. Alle für die Simulation erforderlichen Parameter, die noch nicht anderweitig deklariert wurden, sind in dieser Datei enthalten. Der Aufbau besteht aus über und untergeordneten Blöcken für die hydraulische und morphologische Berechnung, welche in Randbedingungen, Initialbedingungen und numerische Parameter unterteilt sind (Beispiel im Anhang A.3). Initialbedingungen Im Hydraulikblock muss für jede Berechnung eine Anfangsbedingung vorgegeben werden, mit der die Simulation initialisiert wird. Hier sind drei verschiedene Ausgangssituationen wählbar: Dry, Fileinput und Backwater Calculation (siehe Tabelle 2). Die Initialbedingung Dry geht von einem trockenen Gerinnequerschnitt zu Beginn der Simulation aus, welcher dann sukzessive gefüllt wird. Es sind keine weiteren Parameter erforderlich. Als Ergebnis eines Rechenlaufs mit dieser Initialbedingung wird eine Startdatei ausgegeben, die Anfangswerte für die durchströmte Querschnittsfläche A und den zugehörigen Abfluss Q für jedes Querprofil enthält. Mit dieser Datei kann dann ein neuer Rechenlauf gestartet werden, diese Initialbedingung heißt Fileinput. Als dritte Möglichkeit einen Initialzustand für die Simulation vorzugeben, bietet BASEMENT die Option Backwater Calculation an. Dabei wird für das letzte Querprofil ein bestimmter Abfluss Q out und eine Höhenkote für den Wasserspiegel WSE out vorgegeben. Somit sind die primären Variablen A und Q bekannt bzw. können vom Programm errechnet und die Simulation begonnen werden. Der vorgegebene Abfluss Q out bleibt hier über die gesamte Simulationsdauer konstant, während der Wasserspiegel nur als Startwert dient und sich dann rasch der tatsächlichen Fließtiefe nähert. Deshalb eignet sich diese Initialbedingung nur für die Berechnung stationärer Fließzustände. Initialbedingung Bedeutung Benötigte Abflusssituation Angaben Dry Trockenes Gerinne - stationär / instationär Fileinput Anfangswerte in A (Q) in jedem stationär / instationär externer Initialdatei Querprofil Backwater Calculation Staukurvenberechnung Qout, WSEout stationär Tab. 2: Übersicht der wählbaren Initialbedingungen. 11
Randbedingungen Sowohl für hydraulische als auch morphologische Berechnungen ist die Vorgabe geeigneter Randbedingungen von großer Bedeutung. Dabei wird jeweils eine Oberstrom- und eine Unterstrom-Randbedingung benötigt, die die Verhältnisse zu Beginn und am Ende der Simulationsstrecke treffend beschreibt. Für hydraulische Berechnungen stehen in BASEMENT die im Folgenden beschriebenen Randbedingungen zur Auswahl. Die Oberstrom-Randbedingung für hydraulische Berechnungen ist Hydrograph, also die Vorgabe einer Abflussganglinie in Form einer entsprechenden Hilfsdatei. Zur Beschreibung der Unterstrom-Abflussverhältnisse stehen mehrere Randbedingungen (Tab. 3) zur Verfügung, die eine möglichst genaue Beschreibung aller denkbaren hydraulischen Szenarien ermöglichen sollen. Am häufigsten passt die Randbedingung H-Q Relation. Mit ihr können entweder Normalwasserverhältnisse für eine vorgegebene Sohlneigung (z.b. in der FLORIS-Geometriedatei) im letzten Querprofil angenommen werden, oder es kann eine beliebige Wasserstands- Abfluss-Beziehung in einer Hilfsdatei deklariert und verwendet werden. Die Randbedingung Wall schließt das letzte Querprofil wie eine Mauer ab, es findet kein Abfluss über diesen Rand statt. Sie kann z.b. einen Staudamm darstellen und für die Berechnung der Befüllungszeit eines Speichers und der Aufstauhöhe benutzt werden. Mit den Randbedingungen Weir und Gate kann der Abfluss über ein Wehr oder unter einem Schütz simuliert werden. Der Abfluss über ein Wehr wird nach der Formel von Poleni berechnet. Sie lautet: 2 Q = µ b 3 2g H 2 / 3 h b = bkrone + (bei Trapezquerschnitten) tan w mit: µ = Polenifaktor [-] b Krone = Wehrkronenbreite [m] g = Erdbeschleunigung [m/s²] H = Höhendifferenz zwischen Energiehöhe und Wehrkrone [m] h = Fließtiefe auf der Wehrkrone [m] tan w = Böschungsneigung des Trapezquerschnitts [-] Deshalb ist es erforderlich die entsprechenden Parameter wie den Polenifaktor µ, die Breite der Wehrkrone und deren Höhe anzugeben. Die Wehrhöhe kann dabei entweder konstant (als fester Überfall) oder über die Zeit veränderlich (Klappe) gewählt werden. Im zweiten Fall ist die zeitliche Änderung der Wehrhöhe wieder in einer Hilfsdatei zu beschreiben. Mit der Randbedingung Gate kann beispielsweise der Grundablass einer Talsperre simuliert werden, indem die Abmessungen der Öffnung, ein Kontraktions- bzw. Verlustfaktor und die Höhenlage des Auslasses angegeben werden. Auch hier kann eine zeitliche Steuerung durch eine entsprechende Hilfsdatei berücksichtigt werden. Dabei wird der Abfluss nach folgender Formel berechnet: 12
( H a) Q = b µ a 2 g µ mit: b = Breite der Öffnung [m] µ = Kontraktionsverlustfaktor [-] a = Höhe der Öffnung [m] H = Energiehöhe auf der Oberstromseite [m] Liegen bezüglich der Unterstrom-Abflussverhältnisse keine genaueren Informationen vor, kann die Randbedingung Zero Gradient benutzt werden. Dabei werden die hydraulischen Variablen in der letzten Berechnungszelle als konstant angenommen. Die Abflussbedingungen auf der Kante zwischen den letzten beiden Querprofilen entsprechen denen im letzten Querprofil. Damit wird ein gewisser Fehler in Kauf genommen, der sich je nach Szenario durch einen ungenauen Abfluss im letzten Querprofil bemerkbar macht (vgl. Kap. 4.1.2). Zur exakten numerischen Modellierung eignet sich diese Randbedingung deshalb nicht. Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, eine bestimmte Wasserspiegelhöhe am Ende der Untersuchungsstrecke vorzugeben. Dies geschieht mit der Randbedingung Z-Hydrograph. Der Wasserspiegel kann konstant oder über die Zeit veränderlich sein. Die Information darüber wird in einer Hilfsdatei bereitgestellt. Als Resultat erhält man entweder einen Aufstau oder eine Absenkkurve. Der Einsatz dieser Randbedingung ist dann sinnvoll, wenn Gerinneabschnitte nachgerechnet werden sollen, zu denen ein gemessener Wasserstand vorliegt, der von der Normalwassertiefe abweicht. Tabelle 3 fasst die zur Verfügung stehenden Unterstrom-Randbedingungen nocheinmal zusammen. Randbedingung Bedeutung Benötigte Angaben Einsatz H-Q Relation Wasserstands-Abfluss Beziehung Sohlgefälle (für NWT) oder Datei Normalwassertiefe (NWT), kritische Fließtiefe, H (Q) Wall Wand, kein Abfluss über - Damm, Speicher den Rand Weir Abfluss über Wehr Wehrabmessungen und Wehr Poleni-Beiwert Gate Abfluss unter Schütz Schützabmessungen Schütz Zero Gradient Z Hydrograph Keine Änderung der Abflussverhältnisse im letzten Berechnungsabschnitt Zeitabhängiger Wasserspiegel und Kontraktionsfaktor Datei Wsp Z(T) Tab. 3: Übersicht der wählbaren Unterstrom-Randbedingungen. - Wenn keine Informationen vorliegen z.b. Pegelwerte Z (T) 13
Berechnungsmodus BASEMENT verfügt über zwei unterschiedliche Berechnungsmodi, Table und Iteration, die vom Anwender je nach Anforderung an die Ergebnisgenauigkeit und die Berechnungsgeschwindigkeit wählbar sind. Die Angabe des Berechnungsmodus erfolgt entweder in der FLORIS-Geometriedatei, oder im BASEMENT Command File, falls die Geometrie mit HEC- RAS erstellt wurde. Table-Modus Im Modus Table erstellt BASEMENT zu Beginn der Berechnung für jedes Querprofil eine Tabelle, in der für eine Reihe von Wasserspiegellagen der zugehörige Abfluss und einige andere relevante hydraulische Kenngrößen berechnet werden. Aus dieser Tabelle werden dann alle benötigten Werte interpoliert. Dies ist die schnellere Berechnungsart und für die meisten Anwendungen ausreichend genau, sofern der Benutzer die Intervalle zwischen den Tabellenwerten sinnvoll eingrenzt. Dies geschieht durch Angabe der minimal und maximal zulässigen Wasserspiegeldifferenz in Metern zwischen zwei benachbarten Tabellenwerten. Für die Nachrechnung eines Modellversuchs mit einer Abflusstiefe von wenigen Zentimetern sind diese Intervalle folglich kleiner zu wählen, als für ein Hochwasserereignis an einem realen Flussquerschnitt. Iterationsmodus Der Iterationsmodus berechnet die Wasserspiegellage und die zugehörigen hydraulischen Parameter für jeden Berechnungszeitschritt neu. Dabei sind die maximal erlaubte Anzahl der Iterationsschritte und die zulässige Abweichung der berechneten durchströmten Querschnittsfläche A (in m²) vom Anwender festzulegen. Die Verwendung des Iterationsmodus liefert bei entsprechender Wahl der Präzisionsgrenzen exakte Ergebnisse, gleichzeitig steigt jedoch der Rechenaufwand, sodass bei komplexeren Szenarien die Interpolation aus einer Tabelle vorzuziehen ist. Parameter In dem gleichnamigen Unterblock des BASEMENT Command Files werden die Parameter definiert, die den numerischen Ablauf der Berechnung bestimmen. Dazu zählen die CFL-Zahl (siehe Kap. 3.3) und der Initialzeitschritt. Daneben werden in diesem Block noch die minimale Wassertiefe in einer Berechnungszelle und die Gesamtdauer der Simulation festgelegt. Der Berechnungszeitschritt ist in BASEMENT während der Simulation variabel und passt sich an die Situation an. Ändert sich der Abfluss, beispielsweise beim Ablauf einer Hochwasserwelle, stark, ergeben sich kleinere Zeitschritte als während einer Periode mit geringen Abflussschwankungen. Bei stationären Verhältnissen stellt sich ein konstanter Zeitschritt ein. Ebenso beeinflusst der stattfindende Geschiebetransport die Größe des Berechnungszeitschritts. Der Initialzeitschritt zu Beginn einer Simulation ist vom Anwender vorzugeben. Dieser sollte größer sein als der größte sich einstellende Berechnungszeitschritt, da sich andere Annahmen ungünstig auf die Rechenzeit auswirken. Der Berechnungszeitschritt kann nämlich maximal so groß wie der Initialzeitschritt werden, was im numerischen Verfahren begründet ist (vgl. Kap. 4.1.2). Ein Initialzeitschritt von 30 Sekunden liegt hier auf der sicheren Seite, zumal dieser Parameter keinen Einfluss auf die berechneten Ergebnisse, 14
sondern lediglich auf die Rechenzeit zeigte. Gleiches gilt für die CFL-Zahl. Sie darf in einem Bereich zwischen 0,5 und 1 liegen, wobei 1 den größten Berechnungszeitschritt zulässt. Ergebnisausgabe Im Block Output sind schließlich die Einstellungen zur Ergebnisausgabe vorzunehmen. Hier kann der Zeitschritt gewählt werden, in dem die gewünschten Ergebnisse ausgegeben werden (z.b. alle 1000 Sekunden). Benötigt der Anwender nicht nur Zwischenergebnisse, sondern will er die zeitliche Entwicklung einer hydraulischen Kenngröße exakt verfolgen, ist dieser Zeitschritt entsprechend zu verringern. Der Console Time Step regelt die Ausgabe von Berechnungszeitschritten im Programmfenster, während eine Simulation ausgeführt wird. Im Unterblock Special Output können zusätzlich zur Standardergebnisausgabe (Tab. 4) noch weitere Ausgabedateien gewählt werden. Es ist beispielsweise möglich, einen speziellen Wert an einer bestimmten Stelle der Untersuchungsstrecke über kleinere Ausgabezeitschritte genauer zu beobachten. Das Resultat wird in einer eigenen Datei ausgegeben, was für mehr Übersichtlichkeit sorgt und allzu große Datenmengen in der Standardausgabedatei vermeidet. Außerdem können Summen, Minimalund Maximalwerte der berechneten hydraulischen und morphologischen Kenngrößen explizit ausgegeben werden. Alle Ergebnisdateien sind Textdateien, die mit Tabellenkalkulationsprogrammen weiterbearbeitet werden können. Bezeichnung Bedeutung Einheit Time Simulationszeitpunkt s Timestep Berechnungszeitschritt s u Fließgeschwindigkeit im letzten Querprofil (Element Nr.) m/s c Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Störung m/s Edge number Kante (zwischen zwei Querprofilen) Nr. - Flux H Kontinuitätsfluss (entspricht Q) m³/s Flux U Impulsfluss kg m/s Sediment Flux Sedimentfluss m³/s 0.02 Qb (z.b.) Sedimentfluss je Kornklasse (z.b. Fraktion 20 mm) m³/s section Bezeichnung der Querprofile - distance Stationierung der Querprofile (Entfernung von Oberstrom) m zbed Talweg m left/rightdam Dammhöhe (links-/rechtsseitig) m bottomlevel Mittleres Sohlniveau m z Wasserspiegelhöhenlage m eline Energiehöhe m A Durchströmte Querschnittsfläche m² Q Abfluss m³/s Qnum Numerisch ermittelter Abfluss m³/s u Fließgeschwindigkeit m/s Fr Froude-Zahl - tau Sohlschubspannung N/m² transpcap Geschiebetransportkapazität m³/s Tab. 4: Liste der Ergebnisse in der Standardausgabedatei von BASEMENT (Projekt+out.txt). 15
2.1.5 Morphologische Berechnungen Für morphologische Berechnungen wird das BASEMENT Command File um einen neuen Eingabeblock MORPHOLOGY erweitert. Dieser Block enthält alle Parameter und Randbedingungen für Geschiebetransportbetrachtungen. Aufbau und Zusammensetzung der Gerinnesohle Im ersten Unterblock namens BEDMATERIAL wird die Zusammensetzung der beweglichen Sohle angegeben. Diese kann entweder, für Einkornsimulationen, aus einer einzigen Kornfraktion mit einem charakteristischen Durchmesser d m, oder, für fraktionierte Berechnungen, aus mehreren Korngrößen bestehen. In diesem Fall werden die einzelnen Korndurchmesser und deren prozentualer Anteil in der Sedimentmischung angegeben. Die Sohle kann aus mehreren Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen. Für jeden so definierten Bodenaufbau und die unbewegliche Sohle wird ein Index vergeben, der in der Topographiedatei den einzelnen Punkten der Querprofile zugeordnet wird. Dies geschieht im Format FLORIS an der letzten Stelle jeder Zeile und in HEC-RAS unter Multiple Blocks. Jeder Sohlschicht muss eine bestimmte Dicke zugewiesen werden. Hier ist zwischen Einkornund Mehrkornmodell zu unterscheiden. Bei der Einkornsimulation ist lediglich die Lage des festen, nicht erodierbaren Horizonts von Interesse, da diese die maximal mögliche Eintiefung der Sohle begrenzt. Bei der fraktionsweisen Berechnung dagegen ist die Dicke des Active-Layer eine Modellgröße, die das Maß der stattfindenden Erosion beeinflusst. Das Active-Layer-Konzept (siehe Kap. 3.2.6) beschreibt die Sortierprozesse und die damit verbundene Veränderung der Kornzusammensetzung in der obersten Sohlschicht. Somit stellt die Dicke dieser Austauschschicht eine Kalibriergröße des numerischen Modells dar. Der Active-Layer muss in jedem Fall (Einkorn- oder Mehrkornmodell) eine reale Tiefe besitzen. Bei Eingabe einer Null wird die Sohle als unbeweglich angenommen. Zur Abschätzung der Active-Layer-Dicke kann als Anhaltswert der ein- bis dreifache Korndurchmesser d 90 des Sohlmaterials herangezogen werden. Morphologische Randbedingungen Am Anfang der Simulationsstrecke stehen drei verschiedene Oberstrom-Randbedingungen zur Beschreibung der morphologischen Verhältnisse zur Verfügung (Tab. 5). Der Anwender kann hier zwischen IO Up, Wall und Sediment Discharge wählen. Auf der Unterstromseite gibt es nur eine Randbedingung namens IO Down. Die Randbedingung IO Up bedeutet analog zur Unterstrom-Randbedingung IO Down, dass der Geschiebehaushalt im Gleichgewicht steht. Es wird die Geschiebemenge zugegeben bzw. weitertransportiert, die der berechneten Transportkapazität im ersten bzw. letzten Querprofil entspricht. Die Sohllage verändert sich in diesen Querprofilen folglich nicht. Gleichgewichtsrandbedingungen sind für Simulationsszenarien geeignet, in denen die Untersuchungsstrecke mit einem Querprofil beginnt und endet, in dem die Sohle fixiert ist, oder wenn keine näheren Informationen über die Geschiebezufuhr an den Rändern vorliegen und die Strecke ausreichend lang ist, dass sich der Einfluss der Randbedingungen auf den Zwischenbereich nicht mehr auswirkt. Der Einfluss der Randbedingungen muss folglich bei der Festlegung der Simulationsstreckenlänge berücksichtigt werden. 16
Die Verwendung der Oberstrom-Randbedingung Wall bedeutet, dass kein Geschiebeeintrag in die Simulationsstrecke stattfindet. Dies hat zur Folge, dass es von Anfang an zu Erosion kommen kann, die Sohle des ersten Querprofils wird nicht fixiert. Eine Situation ohne Geschiebeeintrag kann beispielsweise nach einem Wehr oder in Modellversuchen gegeben sein. Soll ein bestimmter Geschiebeeintrag in die Untersuchungsstrecke vorgegeben werden, erfolgt dies mittels der Randbedingung Sediment Discharge. Dabei wird in einer Hilfsdatei eine zeitabhängige Geschiebezugabe (in m³/s) definiert. Die Zusammensetzung des zugegebenen Geschiebes wird im BASEMENT Command File festgelegt, indem eine dort definierte Kornfraktion oder Mischung ausgewählt wird. Oberstrom-Randbedingungen Bedeutung Angaben Wall Kein Geschiebeeintrag - IO Up Geschiebezugabe entspricht Transportkapazität - (Gleichgewichtszustand) Sediment Discharge Vorgegebene Geschiebezugabe File Unterstrom-Randbedingung IO Down Geschiebetransport entspricht der Transportkapazität im letzten Querprofil - Tab. 5: Morphologische Randbedingungen in BASEMENT. Parameterblock für morphologische Berechnungen Im Unterblock PARAMETER werden die übrigen, für die morphologische Berechnung erforderlichen, Annahmen getroffen. Hier wird zuerst eine passende Transportformel gewählt. Für die Einkornsimulation ist dies entweder der Ansatz von Meyer-Peter und Müller ( MPM ), oder der Ansatz Powerlaw. MPM berechnet die Geschiebetransportkapazität nach folgender Formel (vgl. Kap. 3.2.1): q b 3 / 2 3 / 2 ( θ cr ) ( s 1) g d m = k θ mit: q b = Geschiebetransportkapazität pro Meter Sohlbreite [m³/s m] k = Kalibrierkonstante [-] θ = Dimensionslose Schubspannung nach Shields [-] θ cr = Kritische Schubspannung nach Shields [-] s = Verhältnis der Sedimentdichte zur Dichte von Wasser [-] g = Erdbeschleunigung [m/s²] d m = Mittlerer Korndurchmesser des Sohlmaterials [m] Die Kalibrierkonstante k ist vom Anwender anzugeben. Sie liegt nach Hunziker (1995) in etwa im Bereich von fünf bis acht. Der Geschiebetransport kann auch als eine Funktion der Fließgeschwindigkeit v betrachtet werden. Nach diesem Ansatz kann in BASEMENT durch die Auswahl der Transportformel Powerlaw gerechnet werden. Diese Formel lautet: 17
q b = α v β mit: α = Kalibrierkonstante [-] v = Fließgeschwindigkeit [m/s] β = Kalibrierkonstante [-] Die empirischen Kalibrierkonstanten α und β sind vom Anwender zu wählen. Wobei α laut BASEMENT Manual in der Größenordnung von einem Tausendstel und β zwischen eins und zehn liegen sollte. Ein Mittelweg zwischen der Einkornsimulation und der fraktionierten Berechnung ist der Ansatz von Günter. Hier wird in der Einkornsimulation mit MPM zusätzlich die mittlere Korngröße der Deckschicht bzw. der d 90 des Unterschichtmaterials angegeben. In BASEMENT wird dieser Parameter als d 90 _armored_layer bezeichnet. Dabei wird vereinfachend angenommen, dass der d 90 der Unterschicht in etwa dem d m des Deckschichtmaterials entspricht. Die kritische Schubspannung, bei der Geschiebetransport beginnt, wird nun durch den Günterfaktor (vgl. Kap. 3.2.2) erhöht, um den Einfluss der Deckschicht auf den Erosionsbeginn der Sohle im Modell zu berücksichtigen. Für fraktionierte Mehrkornsimulationen, stehen in BASEMENT die Formeln von Hunziker ( MPM-H ), Parker, sowie der Ansatz von Rickenmann zur Verfügung. Für die Formeln von Hunziker und Parker sind keine weiteren Parameter wählbar. Die Formel von Rickenmann kann auch für Einkornmodelle (d m ) verwendet werden. Dafür wird die zusätzliche Angabe des d 30 und d 90 des Sohlmaterials benötigt. Nach der Wahl eines geeigneten Transportansatzes folgt die Festlegung einiger materialspezifischer Werte, wie die Dichte (ca. 2650 kg/m³), der Porenanteil (zwischen 20 und 40 %) und der Reibungswinkel (um die 30 ) des Geschiebematerials. Danach wird noch einmal die Dicke der Aktivschicht ( Height Active Layer ) angegeben. Diese kann entweder konstant, entsprechend der Annahme in der Sohldefinition, gewählt werden, oder variabel sein und bei jedem Zeitschritt neu berechnet werden. Dies ist laut BASEMENT Manual dann der Fall, wenn an dieser Stelle für die Active-Layer-Dicke eine Null angegeben wird. Außerdem werden im Morphologieblock noch einige numerische Parameter für den Ablauf der Simulation festgelegt. Der Upwind -Faktor regelt die Berechnung des Geschiebestroms an den Kanten zwischen zwei Berechnungszellen. Da die Geschiebetransportkapazität bei 1D- Simulationen jeweils in den Querprofilen berechnet wird, wo alle hydraulischen Kenngrößen bekannt sind, muss für die Strecke zwischen zwei Querprofilen eine Annahme für die vorhandene Transportkapazität getroffen werden, was über diesen Faktor geschieht. Mit dem Faktor eins wird das Ergebnis der Oberstrom-Zelle bis zum nächsten Querprofil beibehalten. Bei 0,5 wird der Mittelwert beider Kapazitäten angesetzt, bei null nur die der unterstromigen Zelle verwendet. Im Benutzerhandbuch wird empfohlen, den Faktor zwischen 0,5 und eins zu wählen und abzuwägen, wie die sinnvollsten Ergebnisse und ein stabiler Berechnungsablauf erzielt werden können. Treten Stabilitätsprobleme auf, bietet BASEMENT die Möglichkeit, eine künstliche Diffusion in den Berechnungsablauf einzustreuen, die solche Probleme reduzieren soll (BASEMENT User s Manual, U III - 3.2-20). Durch die Angabe eines Diffusionskoeffizienten kann der Einfluss sich summierender Diskretisierungsfehler verringert werden. Dafür ist der Upwind -Faktor gleich 0,5 zu wählen und ein Diffusionsfaktor zwischen null und maximal 0,05 anzugeben. 18